von DIRK EIDEMÜLLER
Wenn Atomkerne radioaktiv zerfallen oder von hochenergetischen Teilchen getroffen werden, geraten sie meist in einen angeregten Zustand, fallen jedoch schnell wieder in den Grundzustand zurück. Typischerweise findet eine solche „Abregung“ statt, indem der Kern ein hochenergetisches Photon emittiert: ein Gammaquant. Man kann sich einen solchen Anregungszustand als starke Vibration der Protonen und Neutronen im Atomkern vorstellen. Nach der Abstrahlung befinden sie sich wieder weitgehend in Ruhe.
„Neben der Abstrahlung eines Photons gibt es auch konkurrierende Zerfallstypen, die allerdings deutlich seltener sind“, sagt Yury Litvinov. „So kann ein Atomkern auch zwei Photonen gleichzeitig aussenden“, fügt der Kernphysiker bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt hinzu. „Solche exotischen Zerfälle geben uns die Möglichkeit, viel über die elektromagnetische Struktur von Kernmaterie zu lernen.“
Das Problem dabei: Normalerweise ist der Zerfall über zwei Photonen so selten, dass er fast vollständig vom Ein-Photon-Zerfall überdeckt wird. Bei einigen Atomkernen ist der Ein-Photon-Zerfall jedoch wegen ihrer besonderen elektromagnetischen Eigenschaften nicht möglich. Dann hat der angeregte Atomkern drei verschiedene Optionen, seine Energie loszuwerden: erstens über den Zwei-Photonen-Zerfall, zweitens durch Energieübertragung auf eines seiner Elektronen, das dann hinausschießt, oder drittens durch Paarerzeugung – indem also ein Elektron und ein Positron entstehen, die ebenfalls mit hoher Energie davonfliegen.
„Wir haben den Atomkern Germanium-72 untersucht, weil er hervorragende Möglichkeiten bietet, den Zwei-Photonen-Zerfall zu studieren“, sagt Litvinov, der mit seinem Team die Resultate in den Physical Review Letters beschrieben hat. Erstautor ist David Freire Fernández vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.
Bei Germanium-72 ist die Anregungsenergie zu niedrig für eine Paarerzeugung. Mit einem Trick gelang es den Forschern, auch die innere Konversion auszuschalten – also die Energieübertragung auf ein Hüllenelektron. So entfiel eine weitere Störung. „Hierzu haben wir am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Krypton-Atomkerne auf rund 70 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und diese hochenergetischen Kerne anschließend auf eine rund einen Zentimeter dicke Beryllium-Platte geschossen“, berichtet Litvinov.
Dabei entstanden die Germanium-72-Atomkerne im gewünschten Anregungszustand. Außerdem hatten die Atomkerne sämtliche Elektronen verloren. Damit war eine innere Konversion nicht mehr möglich. So ließ sich der Zwei-Photonen-Zerfall ungestört zu beobachten. Für solche Präzisionsmessungen wurde in den letzten Jahren eine ganz neue Experimentiertechnik am ESR aufgebaut.
